Studiare i terremoti in uno dei più avanzati laboratori d'Italia: il Centro di Ricerca L.E.D.A.

Un nuovo avanzato laboratorio per lo studio degli effetti dei terremoti: il Centro di Ricerca L.E.D.A.

L'importanza delle infrastrutture di ricerca per studiare i terremoti

Negli ultimi decenni, il settore dell’Ingegneria Sismica ha fatto degli enormi progressi nella comprensione dei fenomeni legati al comportamento delle strutture soggette al sisma e nel fornire soluzioni tecniche per la mitigazione della vulnerabilità. Innumerevoli studi sono stati condotti al fine di redigere normative antisismiche moderne per le nuove costruzioni e metodi di verifica affidabili per la valutazione del rischio di costruzioni esistenti. 

Ciononostante, i recenti eventi sismici hanno mostrato ancora una volta la fragilità del territorio italiano, principalmente a causa di alcune sue peculiarità come, ad esempio, l’elevata sismicità e le caratteristiche dei tessuti urbani, specie quelli storici, non adeguati ad assorbire terremoti anche di bassa e media intensità. 

In tale contesto, lo studio del rischio sismico rappresenta una delle problematiche più importanti ed attuali per la salvaguardia delle vite umane, delle strutture e infrastrutture, del patrimonio naturalistico e culturale di cui il nostro territorio è ricco, anche alla luce della grande differenza in termini di perdite di vite umane ed economiche provocate da terremoti della stessa intensità in altri paesi ad alta sismicità come il Giappone o gli Stati Uniti d’America, nei quali da tempo sono state avviate politiche per incrementare la dotazione di grandi infrastrutture di ricerca [1-3].

Infatti, uno studio accurato della risposta sismica delle strutture è praticamente impossibile da ottenere solo sulla base di modellazioni analitiche o tramite l’esecuzione di prove strutturali ordinarie, ma richiede la presenza di grandi e costose infrastrutture in cui è possibile condurre prove su modelli in grande scala.

La presenza di laboratori con strumentazione di alto livello tecnologico è, quindi, essenziale per lo studio del rischio sismico e delle strategie per la sua mitigazione, in quanto consentono di validare modelli analitici di calcolo, di qualificare apparecchiature con tecnologie avanzate, che possano migliorare la performance delle strutture alle sollecitazioni di tipo sismico, e soprattutto senza avere la necessità di aspettare il vero “collaudo” della bontà dei nuovi metodi di costruzione, che si ha solo in presenza di un terremoto reale.

Come studiare gli effetti di un terremoto in un Laboratorio

Gli effetti di un terremoto e in generale delle vibrazioni, possono essere studiati in un laboratorio sperimentale attraverso due principali approcci complementari:

  • le prove dinamiche su tavola vibrante (Shaking Table)
  • le prove pseudo-dinamiche/ibride con struttura di reazione/sistema di contrasto (Strong Floor - Reaction Wall).

I test dinamici consistono nel riprodurre una qualsiasi storia temporale in termini di spostamenti o accelerazioni su strutture o apparecchiature, attraverso l’utilizzo di tavole vibranti (Skaking Table) [4]. Le tavole vibranti sono costituite da una piattaforma in acciaio (tavola) su cui viene vincolata la struttura o l’apparecchiatura da testare, da una serie di attuatori oleodinamici che imprimono alla tavola le accelerazioni richieste e da un sofisticato sistema di controllo che comunica agli attuatori la storia temporale da riprodurre, come ad esempio quella di un terremoto. Fa parte delle attrezzature delle tavole vibranti la “massa sismica” che rappresenta un blocco di contrasto in c.a. per il contenimento delle vibrazioni prodotte durante il funzionamento delle tavole. Le tavole vibranti sono caratterizzate dai gradi di liberta (GDL) che possiedono; una tavola vibrante a 6 GDL è in grado di riprodurre tutti i movimenti nello spazio. Altre caratteristiche peculiari sono il peso della struttura che è in grado di movimentare (Payload), l’accelerazione massima (Peak acceleration) e gli spostamenti massimi (Stroke) che può imprimere ed il range di frequenza in cui può operare.

I test pseudo-dinamici sono una metodologia di prova ibrida sperimentale-numerica, che vengono condotti sempre con l’obiettivo di osservare sperimentalmente la risposta di una struttura o di una apparecchiatura soggetta a carichi dinamici [4-5]. In questo caso l’accelerogramma viene inserito in un calcolatore, che computa numericamente gli spostamenti orizzontali che vengono poi imposti alla struttura da testare tramite attuatori servo-idraulici fissati ad un muro di reazione (Reaction Wall). Le celle di carico degli attuatori misurano le forze necessarie (forze di reazione) per raggiungere lo spostamento richiesto, le quali vengono utilizzate per il passo successivo di elaborazione numerica. Pertanto, le attrezzature per condurre un test pseudo-dinamico sono rappresentare dal sistema di contrato (Strong Floor - Reaction Wall), opportunamente dimensionato affinché possa “reagire” con tensioni e deformazioni trascurabili all’applicazione di elevate forze orizzontali che simulano ad esempio gli effetti di un sisma su strutture in scala reale, dagli attuatori servo-idraulici in grado di movimentare la struttura e, dai calcolatori e sistema di controllo per le simulazioni numeriche ad ogni passo di carico.

Entrambe le tipologie di prove necessitano inoltre di una centrale di potenza idraulica per alimentare gli attuatori e di un sistema di acquisizione dati (sensori, comparatori, laser vibrometri, etc.) da installare sulla struttura o sull’apparecchiatura da testare al fine di registrare ed interpretare la loro risposta ai carichi impartiti.

Ognuna delle due tecniche di prova presenta sia dei vantaggi che degli svantaggi di utilizzo nello studio degli effetti di un terremoto sulle strutture.

Ad esempio, le prove dinamiche consentono di simulare tutte le componenti dell’azione sismica (6 GDL) e di riprodurre la risposta della struttura in modo assolutamente naturale, con particolare riferimento agli effetti viscosi, ai problemi di rilassamento, al comportamento dei materiali in funzione della velocità di deformazione impressa. Inoltre, si otterrà una distribuzione realistica delle forze inerziali e sarà possibile imprimere contemporaneamente sia carichi orizzontali che verticali. I principali svantaggi legate alle prove dinamiche sono connesse alle limitazioni sulla potenza idraulica disponibile, per cui spesso è necessario condurre prove sperimentali su strutture a scala ridotta; inoltre, essendo le prove condotte in Real time è più difficile monitorare l’evoluzione del danno sulla struttura e del modo di rottura, che risulta osservabile solo alla fine del test; infine i sistemi di controllo delle tavole vibranti sono molto sofisticati ed è necessaria una notevole esperienza sulla predisposizione del setup di prova per evitare problemi legati alle condizioni di vincolo campione da testare sulla tavola (Rocking). 

D’altra parte, le prove pseudo-dinamiche consentono di condurre prove sperimentali su componenti e strutture a scala reale senza limiti di Payload, non rendendo necessario il ricorso alla realizzazione di strutture in scala ridotta (effetto scala); inoltre, essendo le prove condotte lentamente (Expanded time) è possibile avere un continuo monitoraggio dell’evoluzione del danno sulla struttura e un pieno controllo del modo di rottura ad ogni passo di carico; il metodo di prova si presta all’implementazione di test con sotto-strutturazione, consente lo svolgimento di più test simultanei online, anche in diversi laboratori distanti chilometri; non è necessario il controllo accurato delle condizioni di vincolo del campione da testare essendo lo stesso rigidamente vincolato alla piastra di reazione (Strong Floor). Essendo quest’ultimo un metodo ibrido sperimentale-numerico, è necessaria una discretizzazione numerica della struttura, che verrà considerata come un sistema a masse concentrate; pertanto il metodo si rende di difficile applicazione per strutture a massa distribuita; il metodo di prova è altamente sensibile agli errori di misura e/o controllo e presenta difficoltà intrinseche nel considerare gli effetti viscosi e di rilassamento; inoltre, essendo la struttura da testare vincolata rigidamente alla piastra di reazione, il metodo è limitato alle due componenti orizzontali dell’azione sismica.

Dalle considerazioni sopra riportate, è evidente che i due metodi di prova consentono di analizzare aspetti diversi ma tra di loro complementari al fine del raggiungimento di una accurata conoscenza del comportamento delle strutture sottoposte ad azioni sismiche.

Come nasce il Centro di Ricerca L.E.D.A. 

Il panorama europeo dei centri di ricerca nel settore dell’ingegneria sismica comprende diversi centri di eccellenza in entrambe le tecniche di prova descritte in precedenza con infrastrutture di rilievo.

In particolare, la Commissione Europea ha creato nel 1992 il laboratorio ELSA (European Laboratory for Structural Assesment), all’interno del Centro di Ricerca Comune Europeo (JRC –Joint Research Center) che rappresenta il più importante laboratorio al mondo per le prove pseudo-dinamiche [6]. Dal punto di vista della diffusione delle tavole vibranti, invece, esiste una notevole differenza tra le dimensioni delle infrastrutture europee rispetto a quelle americane e giapponesi [7]. Al fine di incrementare la competitività delle infrastrutture di ricerca europee, la Commissione Europea ha finanziato recentemente il progetto EFAST (design study of a European Facility for Advanced Seismic Testing) [8] avente proprio lo scopo di studiare le caratteristiche di una nuova ed avanzata infrastruttura di ricerca. 

laboratorio-sperimentale-LEDA-1.JPGSulla base delle considerazioni finali del progetto EFAST è stato realizzato, attraverso un finanziamento PON R&C 2007-2013 - Asse I “Sostegno ai mutamenti strutturali” presso la Facoltà di Ingegneria e Architettura dell’Università di Enna Kore un centro dotato di grandi attrezzature e strumentazioni scientifiche all’avanguardia nel settore dell’Ingegneria sismica e della dinamica sperimentale dal nome Centro di Ricerca L.E.D.A. - Laboratory of Earthquake engineering and Dynamic Analysis (Figura 1). 

L’idea che è stata alla base della stesura del progetto e che ha portato alla realizzazione del Centro di Ricerca L.E.D.A., è stata quella di realizzare un laboratorio che, utilizzando le tavole vibranti e le grandi strutture di reazione, avrebbe consentito l’esecuzione di prove sismiche in modo da sfruttare pienamente la complementarietà tra entrambe le tradizionali tecniche della dinamica e della pseudo-dinamica ed esplorare contemporaneamente anche gli avanzati metodi di prova ibridi.

Tale caratteristica permette di collocare il L.E.D.A. in una posizione privilegiata nel panorama nazionale e internazionale dei grandi laboratori per prove sperimentali. La costruzione del Centro di Ricerca L.E.D.A. si è avviata nell’ottobre 2013 e si è conclusa nel luglio 2015. La Bosch-Rexroth ha fornito le principali attrezzature del L.E.D.A.

laboratorio-sperimentale-LEDA

Figura 1 – Centro di Ricerca L.E.D.A. - Laboratory of Earthquake engineering and Dynamic Analysis. a) Vista esterna; b) Vista interna.

Nel L.E.D.A., sono presenti due laboratori: Il “Laboratorio di Strutture” ed il “Laboratorio di Dinamica Sperimentale”. Il progetto architettonico, è stato redatto con risorse interne all’Università sotto la guida del Prof. Gianluca Burgio. I due laboratori ed il centro di ricerca sono compresi in un unico edificio, promuovendo così l’interazione tra le attività didattiche e quelle teoriche – sperimentali. Il LEDA è all’interno del nuovo campus della Facoltà di Ingegneria e Architettura di dell’Università di Enna Kore, in una zona ben servita dalle infrastrutture di trasposto della Sicilia e in una posizione baricentrica rispetto al bacino del Mediterraneo.

Prima di passare alla descrizione dei due Laboratori, si sottolinea che il cuore pulsante del L.E.D.A. è rappresentato dalla centrale idraulica di potenza della Bosch-Rexroth, mostrata in Figura 2.

laboratorio-sperimentale-LEDA-2.JPG

Figura 2 – Centro di Ricerca L.E.D.A.: Centrale idraulica di potenza.

La potenza idraulica è prodotta da 8 pompe da 200 kW, con e quali è possibile produrre un flusso d’olio continuo di oltre 3200 /min a 270 bar di pressione. La potenza elettrica totale richiesta è di circa 1700 kW. La centrale idraulica è installata nell’area interrata del L.E.D.A., con l’obiettivo principale di ridurre il rumore negli ambienti dei laboratori.

leggi l'articolo integrale in pdf